一、进程与线程

1. 进程

程序：是静态的，就是个存放在磁盘里的可执行文件，就是一系列的指令集合。
进程（Process）：是指计算机中已执行的程序，是动态的。

（1）进程的组成

当进程被创建时，操作系统会为该进程分配一个唯一的、不重复的编号，即进程ID（Process ID，PID），操作系统此时要记录PID。除此之外，操作系统还需要记录进程所属用户ID（UID）、给进程分配的资源、进程的运行情况等。

这些信息都被保存在一个数据结构 进程控制块（Process Control Block，PCB ） 中，操作系统需要对各个并发运行的进程进行管理，但凡管理时所需要的信息，都会被放在PCB中。

PCB是进程存在的唯一标志，当进程被创建时，操作系统为其创建PCB，当进程结束时，会回收其PCB。

除了PCB，进程还需要程序段来存放程序的代码，并使用 数据段 保存进程执行时产生的数据（如程序中定义的变量）。
一个进程实体（进程映像）由PCB、程序段、数据段组成。其中程序段用来存放程序的代码（指令）， 数据段 用来保存进程执行时产生的数据。

进程是动态的，进程实体（进程映像）是静态的。进程实体反应了进程在某一时刻的状态（如：x++后，x=2）

程序运行示意图：

（2）进程的特征

程序是静态的，进程是动态的，相比于程序，进程拥有以下特征。

1. 动态性：进程是程序的一次执行，经历创建、活动、暂停、终止等过程，具有一定的生命周期，是动态产生、变化和消亡的基本特征。

2. 并发性：多个进程实体能够同时存在于内存中，在一段时间内同时运行，提高资源利用率，并发性是进程的重要特征，也是操作系统的关键特征。

3. 独立性：进程实体是一个能够独立运行、独立获取资源和独立接受调度的基本单位。未建立PCB的程序无法作为独立单位参与运行。

4. 异步性：由于进程相互制约，导致执行间断性，进程按照各自独立且不可预知的速度向前推进，需配置进程同步机制以处理异步性带来的挑战。

5. 结构性：每个进程通过PCB进行描述，包含程序段、数据段和进程控制块三部分组成。这种结构性有助于管理和控制进程的执行和状态转换。

（3）多个进程之间的PCB组织方式

在一个系统中，通常会存在成百上千个PCB。为了有效管理它们，需要采取适当的方式来组织这些PCB。

进程的PCB组织方式包括链接方式和索引方式。

1. 链接方式：在链接方式中，每个进程的PCB包含一个指向下一个PCB的指针，形成一个链表结构。当系统需要访问某个特定进程的PCB时，可以顺着链表依次查找直到找到目标PCB。这种方式适合于需要频繁插入和删除进程的情况，但可能会增加查找时间。
   

2. 索引方式：在索引方式中，系统维护一个索引表，其中记录了所有进程PCB的位置信息或关键字，通过索引表可以直接查找到对应进程的PCB。这种方式可以提高查找效率，适合于需要快速访问进程PCB的情况。
   

选择使用链接方式还是索引方式取决于系统的需求和设计考虑，不同的方式各有优劣，可以根据具体情况进行选择。

2. 进程的状态

（1）进程的五种状态

进程在操作系统中通常有五种状态，包括：

1. 创建态（new）：进程被创建时处于“创建态”状态，操作系统为其分配资源并初始化PCB，为进程的正常运行做准备。

2. 就绪态（Ready）：创建完成后，进程进入“就绪态”，表示它已经准备好运行，但由于没有空闲CPU，暂时无法执行。

3. 运行态（Running）：当进程获得CPU时间并开始执行对应的程序指令时，处于“运行态”，CPU会按照指令序列执行该进程。

4. 阻塞态（Blocked / Waiting）：在执行过程中，进程可能因等待某事件发生而无法继续执行，此时进程会进入“阻塞态”，操作系统会让其释放CPU，并等待事件发生。当CPU空闲时，操作系统会选择另一个“就绪态”进程继续执行。

5. 终止态（Terminated）：进程通过调用exit系统调用请求终止时，进入“终止态”，操作系统回收资源、释放内存空间等，并最终销毁该进程。一旦终止完成，进程从系统中彻底消失。

其中就绪态（Ready）、运行态（Running）、阻塞态（Blocked）为进程的三种基本状态。

（2）进程状态的转换

下面是对进程状态转换的简要描述：

1. NULL → 新建态：执行一个程序，创建一个子进程，进程从NULL状态转变为新建态。

2. 新建态 → 就绪态：当操作系统完成了进程创建的必要操作，并且系统性能和虚拟内存容量允许时，进程从新建态转变为就绪态，表示已准备好运行但暂时无法执行。

3. 运行态 → 终止态：当进程达到自然结束点、出现无法解决的错误、被操作系统或其他有终止权的进程终结时，进程从运行态转为终止态。

4. 运行态 → 就绪态：当进程的运行时间片用完或出现更高优先级的进程时，进程从运行态转为就绪态等待重新调度。

5. 运行态 → 等待态：进程等待使用资源（如外设传输），需要等待人工干预或其他事件发生时，进程从运行态转为等待态。

6. 就绪态 → 终止态：在某些操作系统中，未在状态图中显示，但父进程可能允许终结子进程，此时进程从就绪态直接转为终止态。

7. 等待态 → 终止态：和上一条类似，在某些操作系统中，虽未在状态图中显示，但允许父进程终结子进程，进程从等待态直接转为终止态。

8. 终止态 → NULL：进程完成所有清理工作后，从终止态返回到NULL状态，整个进程生命周期结束。

3.进程的控制

进程控制的主要功能是对系统中所有进程进行有效管理，包括创建新进程、撤销已有进程和实现进程状态转换等。操作系统中通常将用于进程控制的程序段称为原语，其特点是在执行期间不允许中断，是一个不可分割的基本单位。原语的不可中断性确保了进程控制操作的完整性和一致性，防止出现竞争条件和数据不一致的情况，从而提高了系统的稳定性和可靠性。
进程的创建、终止、阻塞和唤醒是进程控制中的重要过程，它们包括以下步骤：

1. 创建进程：

   • 为新进程分配一个唯一的进程标识号，并为进程分配空白的PCB，并填写控制和管理信息，若PCB申请失败，则进程创建失败。
   • 为进程分配资源，为新进程的程序和数据及用户栈分配必要的内存空间(在PCB 中体现)。若资源不足(如内存空间)，则处于阻塞态，等待内存资源；
   • 将PCB插入就绪队列，等待调度执行。

2. 终止进程：

   • 查找要终止的进程的PCB。
   • 如果进程正在执行，立即终止其执行，并释放CPU资源。
   • 如果进程有子进程，将子进程交给父进程或由1号进程（init）接管。
   • 归还进程拥有的资源给操作系统，从PCB队列中删除该进程。

3. 阻塞进程：

   • 找到需要阻塞的进程的标识对应的PCB。
   • 如果进程正在运行，保护其现场，将状态转换为阻塞状态，暂停运行。
   • 将PCB插入阻塞队列中。

4. 唤醒进程：

   • 在阻塞队列中找到相应事件的阻塞进程的PCB。
   • 将其移出阻塞队列，并设置为就绪状态。
   • 将PCB插入就绪队列，等待调度程序调度运行。

进程的阻塞和唤醒是进程控制中重要的操作，确保进程间的合理执行和资源利用。进行这些操作时，需要保证相应的阻塞和唤醒语句成对出现，以确保进程状态转换的正确性。

4.进程的通信

1. 管道（Pipes）：是⼀种半双⼯的通信⽅式，数据只能单向流动，用于具有亲缘关系的父子进程间或者兄弟进程之间的通信。
2. 共享内存（Shared memory）：使得多个进程可以访问同一块内存空间，不同进程可以及时看到对方进程中对共享内存中数据的更新。这种方式需要依靠某种同步操作，如互斥锁和信号量等。可以说这是最有用的进程间通信方式。
3. 消息队列（Message Queuing）：消息队列是消息的链表，存放在内核中并由消息队列标识符标识。消息队列克服了信号传递信息少、管道只能承载⽆格式字节流以及缓冲区⼤⼩受限等缺点。
4. 套接字（Sockets）：适⽤于不同机器间进程通信，在本地也可作为两个进程通信的⽅式。
5. 信号（Signal）：信号是一种比较复杂的通信方式，用于通知接收进程某个事件已经发生。
6. 信号量（Semaphores）：信号量是一个计数器，用于多进程对共享数据的访问，信号量的意图在于进程间同步。这种通信方式主要用于解决与同步相关的问题并避免竞争条件。

5.线程

线程（Thread）通常被称为轻量级进程，因为线程是在进程内部创建和管理的，相较于整个进程来说，线程具有更小的开销和更快的上下文切换速度。线程是一个基本的CPU执行单元，也是程序执行流的最小单位。多个线程可以在同一个进程内并发执行，并且它们共享该进程的资源，如内存空间、文件句柄、网络连接等。

举例来说，当你打开微信时，可能会有多个不同的线程在后台同时执行不同的任务。例如，存在一个专门负责拉取别人给你发送的最新消息的线程，该线程定期检查服务器是否有新消息，并将其显示在你的微信聊天界面上。同时，还可能有其他线程负责处理用户的输入、更新UI界面等任务。

引入线程之后，不仅是进程之间可以并发，进程内的各线程之间也可以并发，从而进一步提升了系统的并发度，使得一个进程内也可以并发处理各种任务（如QQ视频、文字聊天、传文件）

二、进程调度

1. 调度

（1）调度的概念

进程都期望能够占用CPU进行工作，当有一堆任务要处理，但由于资源有限，这些事情没法同时处理。这就需要确定某种规则来决定处理，这些任务的顺序，这就是“调度”研究的问题。
这种选择进程并让其运行的功能是由操作系统中的调度程序（scheduler）完成的。调度程序负责根据一定的调度算法，决定在给定时刻哪个进程应该优先获得CPU的使用权，从而实现对系统资源的合理调度和分配。
通过调度程序的工作，操作系统能够有效地管理系统中多个进程的执行顺序和时间片分配，以确保系统资源的高效利用和任务的及时完成。不同的调度算法可能导致不同的进程调度方式，如先来先服务、最短作业优先、轮转调度等。

（2）调度的三个层次

1. 高级调度（作业调度）：按一定的原则从外存的作业后备队列中挑选一个作业调入内存，并创建进程。每个作业只调入一次，调出一次。作业调入时会建立PCB，调出时才撤销PCB。
2. 中级调度（内存调度）：按照某种策略决定将哪个处于挂起状态的进程重新调入内存。一个进程可能会被多次调出、调入内存，因此中级调度发生的频率要比高级调度更高。
3. 低级调度（进程调度/处理机调度）：按照某种策略从就绪队列中选取一个进程，将处理机分配
   给它。

	调度方法	调度发生位置	发生频率	进程状态
高级调度（作业调度）	按照某种规则，从后备队列中选择合适的作业将其调入内存，并为其创建进程	外存->内存（面向作业）	最低	无->创建态->就绪态
中级调度（内存调度）	按照某种规则，从挂起队列中选择合适的进程将其数据调回内存	外存->内存（面向进程）	中等	挂起态->就绪态（阻塞挂起->阻塞态）
低级调度（进程调度）	按照某种规则，从就绪队列中选择一个进程为其分配处理机	内存->CPU	最高	就绪态->运行态

2. 调度算法

1. 先来先服务调度算法（First Come First Severd, FCFS）：先来后到，每次从就绪队列选择最先进入队列的进程，然后一直运行，直到进程退出或被阻塞，才会继续从队列中选择第一个进程接着运行。
2. 最短作业优先调度算法（Shortest Job First, SJF）：它会优先选择运行时间最短的进程来运行，这有助于提高系统的吞吐量。
3. 高响应比优先调度算法（Highest Response Ratio Next, HRRN）：主要是权衡了短作业和长作业。每次进行进程调度时，先计算“响应比优先级”，然后把“响应比优先级”最高的进程投入运行。
4. 时间片轮转调度算法（Round Robin, RR）：每个进程被分配一个时间段，称为时间片（Quantum），即允许该进程在该时间段中运行。
5. 最高优先级调度算法（Highest Priority First，HPF）：调度是有优先级的，即希望调度程序能从就绪队列中选择最高优先级的进程进行运行
6. 多级反馈队列调度算法（Multilevel Feedback Queue）：“时间片轮转算法”和“最高优先级算法”的综合和发展。

三、进程的同步与互斥（更新中）

四、死锁（更新中）